摘要：本研究报告主要探讨了就机器人避障技术的施工现场移动塔吊行走路线规划。通过结合先进的避障算法和施工现场的实际需求，为移动塔吊设计了一种高效、安全的行走路线规划方案。实验结果表明，该方案可显著提高塔吊的工作小路，同时降低事故风险。

关键词：机器人避障技术 施工现场  移动塔吊  行走路线规划

引言

在现代化建筑施工现场，移动塔吊作为重要的垂直运输设备，其工作效率和安全性对整个工程进度和质量具有重要影响。然而，由于施工现场环境复杂多变，移动塔吊在行走过程中经常面临各种障碍物的干扰，这不仅影响了塔吊的工作效率，还可能引发安全事故。为了提高施工现场安全性，降低移动式起重机行走及其升降所存在的碰撞风险，所以研究基于机器人避障技术的施工现场移动塔吊行走路线规划具有重要意义。

为了对本课题研究内容有一个全面了解，我们对国内外现有的研究文献进行了阅读、筛选、分析、归纳，现将主要文献研究内容综述如下：

1.国内外研究现状及发展趋势

1.1国外研究现状

国际上塔式起重机的制造行业主要有 LIEBHERR 、 POTAIN 、 WOLFF 、 KONIG 、 PEKAZETT 等十几家制造商，他们代表着塔机生产最先进的技术。而他们的产品，基本上反映了国外安全监控装置的发展历程、现状和趋势。

世界各国在塔机监控、塔机安全投入了大量的人力物力。大型高效起重机的新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。主要由全数字化控制驱动装置、可编程控制器 PLC 、故障诊断及数据管理系统、数字化操纵检测等设备组成。它赋予起重机以信息的功能，可进行信息传递、处理及动力控制，大大提高了综合自动化水平。目前控制方面重点发展吊具防撞防摇技术，取物装置自动取、卸物技术，位置检测及自动位置控制技术，故障诊断监控技术等。

德国利勃海尔公司和法国 SMIE 公司也相继推出了" AKS "和"AC30"系统，法国波坦公司研制的" MANPA "系统和 ASCOREL 公司推出的"MC602"系统，他们的主要特点是采用电子控制，由塔机小车机构和会装部件处安装的传感器、带程序存储的微控制系统、网络变换电路及司机显示屏等组成。在环境复杂塔机工作建筑工地，操作者可以根据施工场地的具体情况，先将禁止区域和塔机可能相互碰撞的空间几何参数编程输入防碰撞系统，或采用专用程序进行状态显示控制。该系统不仅防止塔机与建筑障碍物碰撞，并防止吊物进入某些禁止区域（如街道、校园、公共区域等）上空，该系统在多塔机同时工作如何止碰撞的问题上也做了深入的研究。

目前英国、德国等正致力于使用塔机视觉来防止塔机与障碍物之间的碰撞并取得了极大的进展，即在塔机安装摄像头视觉装置，通过图像的分析来检测塔机与障碍物之间的距离以便塔机能够及时的减速停机防止碰撞情况的发生。

1.2国内研究现状

国内的塔机安全监控产品开发起步比较晚，从80年代初，有关行业、大专院校等单位对超载保护装置进行了研究、设计、生产，发展到现在已渐成规模。早期塔机的安全监控产品主要有起重量超载限制器、起重力矩限制器、幅度限位器、风速报警装置、启动报警器以及提升高度限位器等。虽然这些保护装置在塔机运行到极限或超载时，能够自动切断各个运行机构电源，使其停止工作，但是，这些装置的控制作用对塔机产生的冲击大，直接损害塔机结构强度，缩短塔机使用寿命，同时，这些保护装置灵敏度低，可靠性和适应性都很差，功能单一，缺乏自我监测和显示功能，不具备超前预测能力，加上塔机工作环境恶劣，作业空间大，司机在这种条件下工作，难以准确判断塔机的运行状态，不能有效地操作塔机，工作效率偏低，而且，现代施工现场塔机经常处于接近极限状态作业，司机注意力长时间高度集中，劳动强度大，容易疲劳，这些都为塔机重大事故埋下隐患。近年来电子器件的发展，使我国电子控制业从技术上得到了突破。但在塔机控制方面与国外的同类产品相比，仍有较大的差距。目前我国塔机控制主要有以下成果：

成都新泰建筑机械有限公司研制的 CXT /30A型塔机群防互撞及区域保护系统1201，使用计算机数字控制方式，采用进口数字传感器及 PLC 控制器，其准确性强，可靠性高，操作简便。该系统具有动臂式塔机防撞功能，且能进行动臂和水平臂塔机混合使用的机群联网控制，适应性极强。

由山东建筑大学机电学院和山东富有有限公司联合开发的基于 DSP 的塔机视觉防碰撞装置，该装置是以 DSP 为硬件处理核心，根据双目成像的几何原理通过左右两副图像的匹配来获得障碍物的距离信息预防塔机与障碍物的碰撞。

由西安建筑科技大学研究的塔机多源信息及运行状态监控系统，该系统是采用 PLC 为微处理器，该系统能实时的显示塔机运行的状态，当采集的塔机运行参数超过了额定设置值时，可以自动切断电路电源并及时的发出报警，并且该系统还实现了利用串口与上位机之间通信，使塔机操作人员能通过观察塔机的运行状态界面，便与塔机操作者判断控制塔机运行。

西安理工大学自主研发的基于多 Agent 的塔机防碰撞系统，采用分布式的 MAS 结构，每个塔机控制器就是一个 Agent 体，具有信息获取、控制决策以及信息交换的功能，负责本塔机状态的检测、本塔机与相关塔机之间的防碰撞计算以及对本塔机的输出控制。这种分布式多 Agent 结构中，整个系统的防碰撞任务被分散到各个塔机 Agent 中，各个塔机 Agent 选择有利于自己局部利益的控制策略和决策目标，自主地作出决策，决策的制定和任务的执行表现出并行的特点，这种并行处理机制大大提高了问题求解效率。各智能体在结构和功能上彼此独立，使得其中个别 Agent 出现故障后，不会影响其他 Agent 的正常行为，也不会影响整个系统的控制要求，同时，只要配置相应的通信协议和控制策略，以及相应的知识和数据，新的 Agent 就可以很容易地扩展到系统中并且保证系统的正常运行，原有的 MAS 系统不需要作任何改动，扩充非常容易。

由西安理工大学机电教研室研制的一套基于单片机的塔机安全监控系统，该系统以 AD 公司微处理器ADUC842为核心，用点阵图形式液晶显示器显示塔机运行过程中的各个参数，用户可以在线设置安全值，当测量值超过设定值时，可报警并切断相应的控制电机，另外，此系统还能实现塔机与周围工作环境的防碰撞。

西安交通大学研制的 ZM -ACS20塔机智能防碰系统1251261，采用一种嵌入式软测量柔性开发平台进行塔机群防碰撞智能测控系统装置硬件设计，实现了塔机群交叉区域、禁行区域、惯性区域的防碰撞准确测控功能，此系统既可满足塔机与各类障碍物之间的防互碰并且可满足各类塔机群交叉协同作业的需要。

彭万仓，王水波，王全州等人利用编码技术设计的塔机防碰撞系统，加入了风险预估技术，考虑了由于惯性而存在的吊臂最终停止位置与制动开始位置之间的惯性偏移角。并且充分注意到高度、位移、转角之间的内在联系，从干涉区分析开始，一步步逼近临界碰撞条件，尽可能在碰撞真正即将开始时才进行防碰决策，有效的减少了频繁误报警所带来的机电损耗和施工效率降低。

由中国建筑科学研究院建筑机械化研究分院和上海新时达电器股份有限公司共同完成的塔机监控系统，此监控系统是基于一种工作区域逻辑算法。通过输入多组障碍物特征数据和基本变量，该监控系统可以实现：当吊钩进入限制区域边界时系统发出报警信号，并通过工作区域逻辑算法控制塔机运行，防止碰撞的发生。

由西安建筑科技大学研究的塔式起重机运行状态监控系统提出了全新的起重力矩和起重量检测方法和测量数学模型，运用函数型连接神经网络解决了起重力矩和起重量在线测量中的非线性问题，使计算过程简单测量数据准确；采用可编程控制器 PLC 实现对塔机拖动系统和状态监测系统的一体化控制，使塔机工作运行更加安全、稳定、可靠。

此外，还有各种防止塔机与环境、塔机与塔机相互碰撞的研究。各种防碰撞系统普遍采用进入危险区域时报警、小于安全距离时停机的策略。这种方式虽然能够简单有效的防止塔机与障碍物之间的相互碰撞，但停机防碰撞的策略将降低作业效率、增加机电损耗。

2.技术部分研究

基于机器人避障技术的施工现场移动塔吊行走路线规划是利用先进的传感器和算法，使移动塔吊在复杂的施工现场能够自主规划行走路线，并实时感知、识别和避让障碍物，从而提高施工效率和安全性。对于这类技术，需要把握以下几个关键点：

1. 环境感知：通过搭载在塔吊上的传感器（如激光雷达、摄像头等），实时获取施工现场的环境信息，包括地形、障碍物、人员活动等。

2. 障碍物识别与避让：利用计算机视觉、深度学习等技术，识别出障碍物的类型、位置和大小，并根据这些信息计算出避障路径。在行走过程中，塔吊需要实时更新障碍物信息，以确保安全避让。

3. 行走路线规划：基于环境感知和障碍物识别结果，结合塔吊自身的性能参数（如高度、长度、转弯半径等），规划出一条从起点到终点的最优行走路线。这个路线需要满足安全性、效率性和可行性等要求。

4. 实时调整与优化：在塔吊行走过程中，由于施工现场环境的动态变化（如新出现的障碍物、人员活动等），需要实时监控和调整行走路线。这可以通过优化算法和实时反馈机制实现。

5. 安全性保障：在整个行走路线规划过程中，安全性是最重要的考虑因素。除了上述提到的环境感知、障碍物识别和避让外，还需要采取其他安全措施，如设置安全警示标志、限制人员和设备进入危险区域、对操作人员进行安全培训等。

2.1行走路线规划

通过对国内外塔机领域的监控设备研究现状的解读，基于行为的智能塔机路径规划算法与动态避让策略的研究，旨在通过智能化手段提高塔机作业的安全性、效率和实时性。这一研究领域涉及到多个方面，包括路径规划算法的设计、动态避让策略的实施以及相关技术的应用等。

首先，基于行为的路径规划算法考虑了塔机作业面的区域限制、行程限制以及静态障碍等约束，有效解决了算法的实时性问题。这种算法的设计，不仅需要考虑塔机本身的运动特性，还需要考虑到群塔协同作业中可能出现的空间突发碰撞情况，这就要求算法能够快速响应并做出合理的避让决策。

其次，动态避让策略的提出，是基于塔机驾驶员的行为经验，结合塔机在实际操作中的表现，给出了一种有效的动态碰撞避让控制策略。这种策略的核心在于如何在保证塔机安全的同时，最小化振动，确保作业的平稳性和连续性。

此外，其他研究也提供了不同的视角和技术支持。例如，基于嵌入式技术的塔机障碍物智能避让系统，通过建立障碍物模型和防碰撞解决方案，实现了塔机智能的避让障碍物。而改进蚁群算法则通过对传统蚁群算法的改进，加快了收敛速度，缩短了最优路径长度，改善了路径质量，这对于提高塔机作业的效率具有重要意义。

因此，基于行为的智能塔机路径规划算法与动态避让策略的研究，通过综合考虑塔机作业的多种约束条件和实际操作需求，采用先进的算法和技术手段，实现了对塔机作业环境的有效管理和控制。这不仅提高了塔机作业的安全性和效率，也为塔机的智能控制提供了强有力的技术支撑。未来的研究可以进一步探索更加高效、智能的算法和技术，以适应复杂多变的作业环境和需求。

2.2智能避障算法

单一的传统避障算法在未知或者部分已知的环境中存在着较为明显的缺陷开发适合动态未知环境的避障算法是自主移动机器人避障技术中亚需解决的问题。智能避障算法能够克服传统算法的缺陷，使机器人有效躲避障碍物。目前较为新颖的几种智能算法有：

（1）基于神经网络的机器人避障方法 Mihai D和Gheorghe M研究了一种基于神经网络的新避障方法解决机器人在包含静态和动态障碍物的环境中自主移动的问题规划出了自主移动机器人在不确定的包含静止和移动实体的工作空间内的无碰撞轨迹。该方案使用“Q学习”和“神经网络规划器”解决路径规划问题。如图1所示Pos网神经网络是一个多层感知器接收作为初始输入的P向量P向量包含机器人当前位置、时间样本！，Q值矩阵输出三值矢量（X，Y/）。如果到达目标前发生碰撞或者步数已达到最大值则Pos网神经网络重新开始权值初始化和迭代。该方法可以在计算轨迹之前设置机器人的速度在时间受限的应用中具有很大的优势。 齐方远研究了基于神经网络避障和GPS定位的移动机器人自主运动方法，构建了基于BP神经网络和距离信息的移动机器人避障模型，并在此基础上提出了室外环境下移动机器人的自主运动方法。该避障模型效果较好，自主运动模型亦具备一定的自主运动能力。

（2）基于可视性二叉树算法的机器人避障方法 AbdulmuttalibTR提出了一种动态环境中机器人避障的新方法，可视性二又树算法。为规划机器人的路径算法依赖于机器人和目标之间的所有完整路径集合的构建，考虑机器人和圆形障碍物之间的内部和外部的可见切线。使用这些路径创建可视性二又树选择出最短优化路径。

（3）基于滚动时域控制算法的机器人避障方法 Giuseppe F和WalterL[01提出了滚动时域策略，用于解决动态环境中线性定常系统所描述的自主移动机器人的路径规划问题。滚动时域的方法即对于所有可能的障碍物场景预先计算精确可控集内的椭圆近似序列，并在线分析，确定适当的控制动作使机器人完成避障。如图2所示，虚线椭圆代表可控集序列，沿箭头方向增加经障碍物序列、场景切换序列、障碍物切换系列等滚动时域，实现避障路径规划。无论遇到任何障碍物，所产生的框架均能保证均匀的最终边界并且满足约束条件。

（4）基于神经控制器的机器人避障方法 NacerH和Boubekeur M针对全向自主移动机器人提出了一种基于神经控制器的自主导航和避障策略。机器人规划一个路径从初始点开始移动到目标点。将二阶多项式整体性规划方法应用到机器人沿理想路径情况下的运动利用神经控制避免机器人与静态或动态障碍物之间发生碰撞。如图3所示机器人从A点出发前往目标期望路径（desired pathDP）即最短路径是两点之间的直线，但在这条路径附近有静态和动态障碍物所以要使机器人沿DP方向规划路径同时又要避免障碍物垂于DP。神经控制器的设计是基于“感应矢量”和“间隙矢量”的概念“感应矢量”是一个二进制向量提供了有关障碍物的检测信息，“间隙矢量”提供了一个机器人可能通过的最近间隙的信息。

（5）基于混合算法的机器人避障方法 PaiNS等人设计了一种基于模糊理论和可拓理论的全向自主移动机器人。模糊理论用于调整控制电机转速的脉宽调制（pulse width modulation，PWM）信号，纠正机器人移动时出现的路径偏差问题。可拓理论用于建立机器人避障模型建立多种移动模型以处理不同类型的障碍。机器人安装有超声波距离传感器估算障碍物的距离。如果遇到障碍相关函数将进行评估机器人将自主选择最合适的模式来避开障碍。系统流程如图4所示。 Chen WJ等人提出了一种用于自主移动机器人的路径跟踪方法包括路径规划和控制器设计。在路径规划中，使用B样条代替A’算法创建平滑和避障路径减少了碰撞的可能性B样条曲线如图5所示。在控制器设计中，将遗传算法和模糊逻辑组合在一起用于对在某一环境中运动的移动机器人的速度调控。 An-pl提出了基于无线传感器网络的移动机器人的避障策略。该算法以模糊控制和神经网络控制理论相结合，使用数学模型表达难以描述的规则，大幅提高了机器人躲避障碍物的实时性、准确性和稳定性。

综上所述，基于机器人避障技术的施工现场移动塔吊行走路线规划是一种高度智能化的技术，它能够显著提高施工现场的安全性和效率。随着技术的不断发展和完善，这一技术将在未来的建筑施工中发挥越来越重要的作用。

3.结论与展望

基于机器人避障技术的施工现场移动塔吊行走路线规划的实际工程案例相对较少，因为这项技术相对较新，处于不断发展和完善的过程中，仍需要我们进一步研究。

未来，我们将进一步优化避障算法和行走路线规划方，以适应更加复杂多变的施工现场环境，为建筑施工领域的智能化和高效化做出更大贡献。

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